Тепловой насос для загородного дома - описание, виды, применение

С каждым годом все актуальнее становится необходимость экономии природных ресурсов из-за постоянного роста стоимости ископаемых энергоносителей – нефти, газа, угля, горючего сланца, трудностей при их добыче, транспортировке и, особенно, из-за проблем, связанных с негативным воздействием на окружающую среду при  переработке таких энергоносителей.

Решение большинства возникающих проблем  находится в области использования так называемых нетрадиционных возобновляемых источников энергии – солнца, ветра, воды, подземных геотермальных источников и т.п.

Одним из наиболее эффективных способов отопления и снабжения горячей водой зданий и сооружений сейчас является применение системы, которая называется «тепловой насос».

Что такое тепловой насос

Принцип действия теплового насоса был открыт еще в 19-м веке. В окружающей среде атмосферном воздухе, водоемах и реках, грунте при условии, что температура там выше нуля градусов, всегда имеется некоторое количество тепловой энергии, которая принимается и накапливается этой средой от главного источника тепла – Солнца.

Тепловой насос предназначен для отбора этой тепловой энергии и использования ее в целях отопления и снабжения горячей водой зданий и сооружений. 

Общую схему теплонасоса можно представить в виде трех замкнутых трубопроводов-контуров по которым циркулируют определенные жидкости.

Первый контур заполнен теплоносителем или теплоотдатчиком – жидкостью, которая двигаясь по трубопроводу, аккумулирует тепло из окружающей среды.

Во втором контуре  циркулирует жидкость – хладагент, который испаряется под воздействием тепла теплоотдатчика из первого контура, а затем конденсируется, передавая, таким образом, тепло в третий контур.

В третьем контуре движется теплоприемник – вода системы отопления здания и горячего водоснабжения. Тепловой насос – это как-бы «холодильник наоборот». В обычном холодильнике происходит тот же процесс, только в обратном порядке – тепло отбирается из внутреннего объема и выбрасывается в окружающую среду.

На практике теплонасос состоит из трех замкнутых трубопроводов, соответствующих трем контурам принципиальной схемы.

• Первый трубопровод с жидкостью-теплоотдатчиком располагается в среде, из которой забирается тепло.
• Второй трубопровод с хладагентом размещается в отапливаемом здании, в пределах специального устройства-теплообменника, включающего испаритель и конденсатор, в котором совершается передача тепловой энергии от теплоотдатчика хладагенту. Здесь же в процессе конденсации осуществляется передача тепла в третий контур – трубопроводы отопления здания.
• В систему входят также различные насосы, перекачивающие жидкости в трубопроводах, запитанные от источника электроэнергии, контрольно-измерительные приборы и средства автоматики.

Виды тепловых насосов

Теплонасосы подразделяются на несколько типов в зависимости от того, из какой среды производится отбор тепловой энергии.

Теплонасос типа грунт-вода;

В тепловых насосах такого типа забор тепла производится из грунта на некоторой установленной глубине. Даже в условиях суровой зимы грунт промерзает только до определенной отметки от уровня поверхности, обычно, не более 1,5-2 метров. Ниже этой отметки грунт имеет положительную постоянную температуру вне зависимости от времени года.  Поэтому первый контур или трубопровод теплового насоса  размещают в грунте.

При этом трубопровод  может быть двух видов: первый вид называется  горизонтальный коллектор, второй вид  -  вертикальный коллектор или зонд.

Трубы горизонтального коллектора укладываются в грунт на участке поблизости от здания на некоторой расчетной глубине обычно принимаемой равной 1 метру от поверхности. Такая глубина заложения считается оптимальной вне зависимости от глубины промерзания грунта.

Расстояние между рядами параллельно укладываемых труб также принимается равным одному метру. Лучший тип грунта – увлажненный или грунт с близко залегающим уровнем грунтовых вод. Для горизонтального коллектора используются полиэтиленовые трубы диаметром 40 мм, заполненные незамерзающей жидкостью на основе 30%-го раствора этилового спирта,  этиленгликоля или пропиленгликоля.

Один погонный метр горизонтального коллектора может аккумулировать примерно 20-30 Вт тепловой мощности. Исходя из этого, можно рассчитать мощность теплового насоса необходимую для отопления здания.

Например, для отопления помещения площадью 10 м2 при высоте этажа в 3 метра необходимо примерно 1 кВт тепловой мощности. Значит, для отопления жилого дома площадью 100 м2 нужно 10 кВт. Для обеспечения такой тепловой мощности потребуется горизонтальный коллектор длиной около 400 метров, который можно разместить на участке размером около 400 м2.

При устройстве вертикального коллектора или зонда трубы внешнего контура опускают в пробуренные скважины, глубина которых может достигать 150 метров. Один метр такого зонда способен аккумулировать 50-60 Вт тепловой мощности. Скважин может быть одна или несколько, главное рассчитать общую длину коллектора, необходимую для отопления  здания. Затраты в этом случае будут больше, так как придется бурить дорогостоящие скважины.

Теплонасос типа вода-вода;

Естественные водоемы или реки являются также аккумуляторами солнечной тепловой энергии, поэтому, если поблизости от здания есть водоем, то можно устроить тепловой насос по типу «вода-вода». В этом случае внешний контур или коллектор опускают на дно водоема. Такой тепловой насос является более эффективным по сравнению с теплонасосом типа «грунт-вода», так как вода имеет более высокую среднегодовую температуру, чем грунт. Теплонасос такого типа практически не отличается по конструкции от грунтового.

Теплонасос типа воздух-вода;

В теплонасосах этого типа тепловая энергия забирается из атмосферы, что делает их использование возможным только в странах или регионах с теплым климатом, где температура наружного воздуха не опускается ниже нуля. Конструкция такого теплонасоса  более проста, так как отпадает необходимость прокладки в грунте труб наружного коллектора. Один вид теплонасоса устраивается по типу сплит-системы, включающей наружный и внутренний блоки. В наружном блоке происходит передача тепловой энергии из атмосферного воздуха хладагенту через испаритель, а во внутреннем – передача тепла через конденсатор  в систему отопления.

Другой вид теплонасоса типа воздух-вода включает моноблок, в котором размещаются вентилятор, испаритель и конденсатор, а наружный воздух поступает через гибкий воздуховод.

Теплонасос типа воздух-воздух;

Тепловой насос типа «воздух-воздух» можно использовать при наличии поблизости от отапливаемого здания источников так называемого «бросового» тепла, например, любого предприятия, где в процессе производства вырабатывается большое количество теплого воздуха. В этом случае в тепловом насосе используется воздушный теплообменник и тепловая энергия напрямую передается воздуху, используемому для отопления здания, минуя промежуточный теплоноситель – воду.

Преимущества использования тепловых насосов

Для работы теплового насоса используется тепловая энергия нашей планеты, возобновляемая Солнцем, при этом исключаются любые вредные выбросы в атмосферу, поэтому способ отопления с его помощью можно назвать экологически чистым. Помимо этого, тепловые насосы работают практически бесшумно, не громче обычного бытового холодильника.
Тепловые насосы взрыво- и пожаробезопасны, так как отсутствуют процессы горения, выбросы опасных смесей и газов, а во время работы ни одна деталь не может нагреться до температуры, при которой могут воспламениться горючие материалы.   

Современные тепловые насосы являются системами отопления и горячего водоснабжения зданий, характеризующиеся высокой энергетической эффективностью, позволяющей существенно экономить затраты. Для работы теплового насоса необходима только электроэнергия для работы компрессора, причем на 1 Квт затраченной электроэнергии выдается почти 5 кВт тепловой энергии. Экономический расчет показывает, что по сравнению с газовым отопительным котлом  все затраты на отопление снижаются на порядок.

Тепловой насос представляет собой многофункциональное устройство, так как его можно использовать для отопления в холодное время года, кондиционирования воздуха в теплое время, приготовления горячей воды для хозяйственно-бытовых нужд и, кроме того, для вентиляции помещений с утилизацией теплого отработанного воздуха.

Срок службы теплового насоса без ремонта составляет до 25 отопительных сезонов, то есть около 25 лет, причем система работает полностью в автоматическом режиме. Мощность системы может достигать 1000 кВт, а при использовании каскадов тепловых насосов – до 8000 кВт.

Применение теплонасосов для отопления загородных домов

Благодаря множеству положительных качеств тепловые насосы используются для создания оптимального микроклимата в зданиях различного назначения, в том числе в индивидуальных загородных жилых домах. А в связи с высокой эффективностью и экологичностью тепловых насосов их применение особенно оправдано в энергоэффективных экодомах.

Однако при этом необходимо знать об определенных условия и ограничениях использования тепловых насосов:

• Использование тепловых насосов будет действительно эффективным при условии хорошего утепления здания, то есть бессмысленно отапливать здание за счет сбора тепловой энергии из окружающей среды, одновременно допуская большие утечки тепла наружу. Здание считается достаточно утепленным, если теплопотери в нем будут составлять не более 100 Вт/м2;
• При использовании тепловых насосов было определено, что чем больше отличаются значения температур теплоносителей на входном и выходном контурах системы, тем меньше значение коэффициента преобразования тепла,  при этом снижается экономия электроэнергии. Поэтому самым выгодным будет применение в схеме теплового насоса низкотемпературных  систем отопления, таких как теплые полы и использование теплого воздуха;
• Рекомендуется устанавливать в комплекте с тепловым насосом дополнительный генератор  тепла, например, небольшой электронагреватель или солнечную батарею.

Такая схема называется бивалентной  системой отопления. Для индивидуального жилого дома устройство теплового насоса мощностью более 30 кВт неэффективно, так как в полную силу он будет работать в период не более одного месяца в году ввиду того, что количество самых холодных дней составляет не более 15% от продолжительности отопительного сезона.

Поэтому мощность теплового насоса подбирают в пределах 70-80% от необходимой расчетной отопительной мощности, а когда температура наружного воздуха опускается до определенной расчетной, называемой температурой бивалентности, тогда автоматически включается дополнительный источник тепла.

Экономическая эффективность применения тепловых насосов

В самых прогрессивных в технологическом отношении странах – США и Канаде, Японии, странах Западной Европы и Скандинавии тепловые насосы с успехом используются уже десятки лет. В странах Восточной Европы и России распространение теплонасосов находится в зачаточном состоянии по двум причинам.

В первую очередь это недостаток достоверной информации о всех преимуществах тепловых насосов.

Во-вторых потребителей заставляет задуматься  довольно высокий размер первоначальных вложений.

Стоимость установки системы составит примерно около 20-25 тысяч рублей на 10 м2 отапливаемой площади помещений. То есть для жилого дома площадью 100 м2 потребуется вначале затратить около 200 - 250 тысяч рублей. Однако благодаря высокой эффективности и экономичности эти вложения окупятся по расчетам за 5-7 лет.

Срок службы теплонасосов без ремонта составляет 15-20 лет, и нет сомнений в том, что такие системы теплоснабжения в скором будущем получат широкое распространение и в странах Восточной Европы.